Подача топлива в дизельный двигатель: Впрыск топлива в дизельном двигателе и его регулировка – Как устроена система подачи топлива дизельного ДВС

Системы питания дизельных двигателей

ВМТ – верхняя мертвая точка
ГБЦ – головка блока цилиндров
КШМ – кривошипно-шатунный механизм
ТНВД – топливный насос высокого давления

Отличие бензинового и дизельного двигателей

На современных автомобилях могут устанавливаться бензиновые и дизельные двигатели. Раньше дизельные двигатели в основном применялись на грузовиках большой грузоподъемности и на тракторах. При их работе можно было наблюдать клубы черного дыма, которые вырывались из выхлопной трубы. Двигатель издавал довольно громкий звук, сопровождающийся стуком. Повышенный шум и вибрации были основными недостатками дизелей. Поэтому такие моторы не устанавливали на легковые автомобили. Современные дизельные двигатели по многим показателям способны конкурировать с бензиновыми моторами. По некоторым характеристикам дизеля серьезно превосходят бензиновые двигатели.

По конструкции бензиновые и дизельные двигатели почти одинаковы. Основное отличие дизеля от бензинового мотора – это использование более прочных материалов при изготовлении его деталей. Это необходимо потому, что дизельный двигатель во время работы испытывает более сильные нагрузки в отличие от своего бензинового собрата. Для повышения прочности некоторые детали изготавливают более массивными, что увеличивает вес мотора.

На дизельном двигателе степень сжатия несколько выше, чем на бензиновом. Поэтому блок цилиндров на дизеле выше, чем на аналогичном бензиновом моторе. С увеличением высоты блока цилиндров увеличивается высота кривошипа коленчатого вала и длина шатунов, что так же сказывается на утяжелении двигателя. Самым главным конструктивным отличием является система питания. На дизеле она кардинально отличается от системы питания бензинового мотора.

На бензиновом моторе топливовоздушная смесь готовится посредством смешивания паров бензина и воздуха. После этого смесь сжимается поршнем в цилиндре при его движении вверх, в ВМТ на свечу зажигания подается электрический ток, искра воспламеняет топливовоздушную смесь, и происходит рабочий ход. Во время работы бензинового двигателя для регулирования мощности нужно изменять количество топлива и количество воздуха, которые подаются для приготовления топливовоздушной смеси. При этом их пропорции должны строго соблюдаться. При недостатке или переизбытке одного из компонентов невозможна нормальная работа двигателя.

Для регулирования подачи воздуха в бензиновом двигателе во впускном воздушном тракте устанавливается дроссельная заслонка (на некоторых моторах подача регулируется другим способом). Подача топлива на современных бензиновых двигателях регулируется электронным блоком управления посредством увеличения или уменьшения времени открытия топливных форсунок. В результате чего изменяется количество топлива, которое впрыскивается за это время.

В дизельный двигатель топливо и воздух подаются раздельно. В воздушном тракте дроссельной заслонки нет (но иногда используется для аварийного отключения подачи воздуха). Чем больше подать воздуха в цилиндр, тем лучше и полнее произойдет сгорание дизтоплива. Топливо в дизельный двигатель подается через форсунки. Смешивания воздуха и топлива как такового не происходит. Воздух необходим для поддержания горения дизтоплива. Как же происходит воспламенение в дизеле? А вот тут самое интересное.

По каким-то причинам во многих источниках этот вопрос затрагивается поверхностно или раскрывается не достаточно точно, а в некоторых случаях не совсем верно. Простому обывателю не так просто понять, что же происходит в процессе воспламенения топлива в дизеле. Некоторые люди пишут, что топливо в дизеле воспламеняется от его сжатия. Если налить на поршень дизтоплива и вращать дизель стартером, в цилиндре воздух в такте сжатия начнет сжиматься и давить на эту «лужицу», но топливо никогда не загорится в цилиндре, хоть весь день крутите. Некоторые люди пишут, что топливо воспламеняется от сжатия воздуха в цилиндре. Пример выше… При таких условиях дизтопливо никогда не воспламенится.

В дизельном двигателе во время такта сжатия воздух в цилиндре разогревается до высокой температуры. Это происходит во время его работы или при запуске в идеальных условиях при плюсовой температуре окружающего воздуха. Некоторые ссылаются именно на высокую температуру сжатого воздуха в цилиндре. Что именно из-за высокой температуры сжатого воздуха дизтопливо самовоспламеняется. В этом есть доля правды, но процесс не раскрыт полностью. Попробуем разобраться в этом более подробно.

Дизтопливо, распыленное форсункой на мелкие частички в дизельном двигателе, воспламеняется в результате его нагрева от трения об сжатый воздух. Чем мельче частички топлива при его распылении, тем больше точек трения и, соответственно, легче воспламенение. Если же в цилиндр под большим давлением подать струю дизтоплива, воспламенения не произойдет, ибо точек трения очень мало. Разогретый воздух в цилиндре способствует лучшему воспламенению дизтоплива за счет более быстрого разогрева частичек топлива от трения. Но нужно понимать, что воспламенение происходит именно от трения. Для примера вспомните спичку и как её поджигают. Оказывается, все просто, достаточно вспомнить физические процессы, которые известны из школьного курса физики.

Плотность воздуха в цилиндре так же влияет на процесс воспламенения. Чем плотнее среда, которая образуется в такте сжатия, тем сильнее происходит трение. Если впрыснуть дозу дизтоплива в объем воздуха с атмосферным давлением, и, соответственно, с недостаточной плотностью, воспламенения не произойдет. И не произойдет воспламенения, если впрыснуть дизтопливо в бензиновый мотор. Степень сжатия в бензиновом моторе ниже, чем в дизеле. Существует некий порог, ниже которого дизтопливо не способно воспламеняться. Поэтому в дизелях степень сжатия выше по отношению к бензиновым моторам.

Системы подачи воздуха

Система питания дизельного двигателя включает в себя систему подачи воздуха и систему подачи топлива в двигатель. В зависимости от способа подачи воздуха в двигатель различают атмосферные дизеля и турбодизеля. В атмосферных моторах воздух поступает в цилиндры посредством всасывания во время такта впуска, то есть за счет естественного разряжения. В турбодизелях используется нагнетатель воздуха, в основном это турбокомпрессор, работающий от выхлопных газов.

На одном валу находится две крыльчатки. За счет выхода выхлопных газов одна из крыльчаток раскручивается и через общий вал вращение передаётся на вторую крыльчатку, которая создает поток воздуха и нагнетает его во впускной тракт двигателя. Так как во время прохождения горячих выхлопных газов через турбину нагнетаемый воздух может нагреваться, между турбиной и впускным коллектором иногда устанавливают интеркулер. Это теплообменник, который позволяет охладить нагнетаемый в двигатель воздух, что еще больше увеличивает его объем. Перед использованием воздух на любом двигателе очищается системой очистки. Это фильтры разных видов и конструкций.

Турбодизеля обладают большей мощностью в отличие от атмосферных моторов. За счет большего объема воздуха, который нагнетается в цилиндры, происходит более полное и быстрое сгорание топлива. Это способствует снижению расхода топлива и повышению мощности мотора. Так же снижается токсичность выхлопных газов. Так как скорость сгорания топлива в турбированном моторе выше, это позволяет увеличить максимальные обороты вращения двигателя, что положительно сказывается на его характеристиках.

Есть и несколько минусов при использовании турбин на дизелях. Сам турбокомпрессор подвергается воздействию высоких температур от выхлопных газов. Что требует использовать дорогостоящие термостойкие материалы при изготовлении турбины. На некоторых моделях дизелей турбина охлаждается жидкостью из основной системы охлаждения двигателя. Во время работы вал турбины раскручивается до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту. Для увеличения срока службы пары трения используют износостойкие материалы, способные выдерживать огромные скорости вращения. Узлы вращения вала турбины обычно смазывают моторным маслом из общей системы смазки двигателя, что предъявляет серьезные требования к качеству моторных масел.

При использовании турбокомпрессора на двигателе его ресурс несколько сокращается по отношению к атмосферному двигателю. Это происходит из-за повышения нагрузок на основные механизмы двигателя. Так же повышается стоимость двигателя в целом. Этому способствует высокая стоимость самого турбокомпрессора, конструктивное усложнение систем охлаждения и смазки двигателя и увеличению воздушных трубопроводов. Несмотря на свои недостатки из-за большей экономичности и мощности турбодизеля все чаще устанавливаются на автомобили.

Камера сгорания

В зависимости от вида камеры сгорания различают камеры раздельного типа и камеры нераздельного типа. Раздельная камера сгорания представляет собой дополнительную камеру небольшого объема, которая соединяется каналом с верхней частью цилиндра. Эта камера обычно находится в полости ГБЦ. Топливо через форсунку впрыскивается именно в эту, так называемую, предкамеру. В момент воспламенения топлива продукты горения распространяются по соединительному каналу в цилиндр и давят на поршень.

Основным плюсом таких моторов является мягкость работы. То есть во время работы такого двигателя почти не слышен характерный «дизельный стук». Это обусловлено тем, что взрывная волна при воспламенении топлива образуется внутри предкамеры и не воздействует непосредственно на поршень. На таких моторах в распылителях форсунок было, как правило, одно отверстие, что упрощало и удешевляло их изготовление. Но были и минусы в такой конструкции. Это сложность изготовления самой предкамеры и её рубашки охлаждения.

Моторы с раздельными камерами сгорания обладали довольно высоким расходом топлива.
Двигатели с нераздельными камерами сгорания получили большее распространение. Такие моторы чаще называют двигатели с непосредственным впрыском. То есть на них топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр в надпоршневое пространство. Камера сгорания может быть выполнена в днище поршня, в полости ГБЦ или частично там и там. По геометрической форме камеры сгорания могут быть разные. В некоторой степени это зависит от формы факела распыла топлива форсункой. Некоторые формы камеры сгорания способствуют образованию завихрений внутри цилиндра, что улучшает сгорание топлива.

Двигатели с непосредственным впрыском обладают рядом преимуществ по отношению к моторам с раздельными камерами сгорания. Самый главный показатель – это экономичность. Нераздельная камера сгорания имеет компактную форму, поэтому обладает малыми тепловыми потерями при работе двигателя. Это позволяет мотору быстрее выходить на рабочий тепловой режим и соответственно меньше тратить топлива. При нераздельной камере сгорания уменьшается высота ГБЦ и сложность её изготовления. Одним из минусов таких моторов является высокие ударные нагрузки, которые действуют на КШМ.

При использовании в форсунках распылителей с несколькими отверстиями малого диаметра удалось обеспечить более плавное горение топлива. Что послужило снижению ударных нагрузок, действующих на КШМ. Но производство таких форсунок довольно трудоемко и предъявляет к себе высокую точность изготовления, что сказывается на их стоимости. Тем не менее, именно моторы с непосредственным впрыском получили большое распространение в современном автомобилестроении. Такие моторы постоянно модернизируются и получают новые технологии, в частности по повышению прочности материалов КШМ.

Системы подачи топлива

На дорогах всего мира можно встретить автомобили с различными по конструкции системами подачи топлива. Некоторые из них устарели морально и физически. Эти системы не отвечают экологическим нормам по содержанию вредных выбросов в выхлопных газах. Тем не менее, такие автомобили выполняют свои функции. Существует несколько видов систем подачи топлива в дизельный двигатель.

Топливо из бака подается к ТНВД подкачивающим насосом. В подающем топливопроводе устанавливаются фильтры очистки топлива. Как правило, это двухступенчатая система очистки. На первом этапе топливо очищается от крупных примесей в виде мелких камешков, металлических обломков и так далее. Второй этап – это фильтр тонкой очистки, который улавливает все остальное, в том числе и воду. От ТНВД топливо подается к форсункам через трубки, которые способны выдерживать высокое давление.

ТНВД могут быть рядными и распределительными. Иногда встречаются V- образные, они схожи по конструкции с рядными насосами. Так же существуют так называемые магистральные насосы, о них чуть ниже… Рядные ТНВД могут иметь несколько плунжеров, которые создают давление топлива для индивидуальной форсунки. Насосы работают от вращения, имеют привод от двигателя, и вращение строго синхронизировано с положением поршней в ВМТ. Во время работы каждый плунжер обеспечивает повышение давления в подающей магистрали в нужный момент для каждого цилиндра двигателя. Форсунка имеет запорную иглу в распылителе, которая открывается от возросшего давления топлива. После открытия и впрыска топлива, давление в магистрали падает, и игла запирает отверстия распылителя. Все довольно просто устроено и работает механически.

Для увеличения подачи топлива в плунжере увеличивается давление, что увеличивает время впрыска топлива, а в итоге и его количество. Чтобы увеличить давление в плунжере насоса имеется специальная зубчатая рейка, которая при линейном перемещении поворачивает специальные втулки плунжеров относительно вертикальной оси. Тем самым отсечка происходит позже, в итоге повышается давление в топливной магистрали. Рейка соединяется с педалью газа механически или электроприводом. Такие ТНВД также имеют механический регулятор холостых оборотов и регулятор опережения момента впрыска топлива, который необходим при увеличении оборотов двигателя.

Насосы такого типа смазываются моторным маслом из общей системы смазки двигателя, поэтому могут работать на топливе низкого качества.

Системы питания топливом такого типа очень надежны. Они хорошо зарекомендовали себя за многолетнее применение и до сих пор могут применяться на дизелях. Но такие системы не обладают потенциалом в дальнейшем развитии. Для более мягкой работы дизеля и повышения экономичности следует повысить давление впрыска топлива. На таких системах повышать давление неограниченно нет возможности. Во время работы в определенный момент происходит резонанс в трубопроводах высокого давления. Поэтому увеличение давления может привести к разрушению трубок. Так же есть зависимость производительности насоса от оборотов работы двигателя, что негативно сказывается на тонкости распыления топлива в этом режиме.

Распределительный насос отличается от рядного насоса количеством плунжерных секций. Такие насосы могут иметь одну или несколько плунжеров, но их количество может не соответствовать количеству цилиндров двигателя, на которые они устанавливаются. Подача топлива распределяется специальным механизмом. В нужный момент топливо под высоким давлением подается на нужную форсунку в соответствии с тактом работы двигателя. Форсунки при этом могут использоваться такой же конструкции, которая описана выше. Насосы такого типа компактнее рядных насосов, поэтому чаще применяются на легковых дизелях. Механизм распределения подачи топлива довольно точно работает, что увеличивает мягкость работы двигателя. В отличие от рядных насосов производительность распределительных почти не зависит от оборотов двигателя.

Но есть в таких насосах и недостаток. Все детали внутри насоса смазываются дизтопливом, которое он подает к форсункам. Точность изготовления прецизионных пар довольно высока. Поэтому качество топлива влияет на долговечность работы насосов такого типа. При недостаточной смазке ускоряется износ деталей, а присутствие влаги в топливе достаточно серьезно уменьшает его ресурс.

Существуют системы, в которых насос высокого давления и форсунка объединены в один элемент. Что исключает применение трубопроводов высокого давления. Подкачивающий насос подает топливо сразу на насос-форсунку. На каждый цилиндр устанавливается индивидуальная насос-форсунка. В таких системах давление впрыска топлива может достигать нескольких сотен МПа, что увеличивает экономичность и уменьшает содержание вредных выбросов в выхлопных газах. Насос-форсунка приводится в работу от кулачков распределительного вала, что упрощает конструкцию двигателя в целом. Современные топливные системы такого типа, а существуют они довольно давно, имеют ряд новшеств.

Например, на некоторых двигателях с такой системой впрыск топлива разделен на несколько фаз. То есть топливо впрыскивается не одной порцией, а несколькими. Каждая из порций может отличаться по объему, что позволяет контролировать процесс сгорания топлива. В результате воспламенение происходит более мягко, снижая ударные нагрузки на КШМ, а токсичность выхлопных газов снижается за счет более полного сгорания топлива в цилиндрах. Минусом же являются высокая стоимость насос-форсунки и необходимость использовать топливо высокого качества.

Еще одна система питания топливом на дизельном моторе – это система Common Rail. В переводе с английского означает общая магистраль. На легковых двигателях разные бренды называют эту систему по-своему, но принцип работы у них схож. В роли общей магистрали выступает топливная рампа, в которой накапливается энергия давления. Из топливной рампы топливо подается на форсунки, открывающиеся электрическим импульсом. Чем-то напоминает топливную рампу бензинового мотора, но в дизеле давление в рампе составляет несколько сотен МПа. Такое давление создает магистральный насос высокого давления. Электрический импульс подается в нужный момент из блока управления двигателем.

Во время запуска двигателя магистральный насос начинает качать топливо и создается высокое давление в топливной рампе. На рампе расположен датчик давления, который измеряет давление топлива в ней. Блок управления считывает показания с этого датчика, и только при достижении определенного давления он подает импульс на открытие форсунок. Происходит запуск дизеля и дальнейшая его работа. Во время работы двигателя насос постоянно поддерживает высокое давление в топливной рампе, поэтому обороты двигателя не влияют на давление впрыска топлива, рампа выступает в роли накопителя. Электронный блок управления позволяет контролировать угол опережения впрыска и поддерживает обороты холостого хода мотора, что упрощает конструкцию насоса в отличие от ТНВД рядного типа.

Высокое давление впрыска позволяет добиться наилучшего распыления топлива и уменьшить его расход до феноменально малых показателей, сохраняя при этом высокую мощность двигателя. Легковой дизель объемом в 3 литра может потреблять топлива в городском режиме всего около 8-10 литров на 100 километров пробега. Крутящий момент дизельных двигателей выше, чем на аналогичных бензиновых моторах, он приближается к расчетным максимальным показателям почти с холостых оборотов. Бензиновые же достигают этого момента на максимально допустимых оборотах вращения коленвала.

В настоящее время легковые автомобили с системой впрыска Common Rail способны конкурировать по динамике разгона с бензиновыми моторами. Но потреблять при этом намного меньше топлива. Всю картину портит качество дизтоплива в нашей стране. В итоге выходят из строя насосы высокого давления и форсунки. Стоимость этих деталей довольно высока, поэтому экономия на расходе топлива сходит на нет при наступлении очередного ремонта топливной аппаратуры. Возможно, в скором будущем наши нефтеперерабатывающие заводы повысят качество выпускаемого дизтоплива. И каждый потенциальный клиент сможет выбрать для себя автомобиль именно с экономичным дизельным двигателем…

Автор: Александр Назаров

Давление в топливной системе дизельного двигателя. Топливная система дизельного двигателя – как работает? Как бороться с неисправностями топливной системы дизеля

У многих из нас дизельные двигатели ассоциируются в первую очередь с шумными моторами, которые не отличаются должностными мощностными показателями. Однако современные дизели благодаря использованию автоматических систем управления и измененному принципу работы существенно прибавили в показателях мощности, избавились от характерной дрожи и своего тракторного звука. Неудивительно, что с учетом отличной тяги и топливной экономичности дизельные моторы сегодня пользуются все большей популярностью. В этой статье мы поговорим с вами о том, что представляет собой топливная система дизельного двигателя и что такое ТНВД.

Вода вызывает повреждение как топливных баков, так и деталей двигателя. Ржавчина и коррозия в резервуаре создают твердые частицы, которые пропускаются в топливе, вызывая износ двигателя. Компонентная жизнь также сокращается путем травления водой, эрозии, кавитации и отслаивания, таких как.

Регулировка топливной аппаратуры

Ржавчина: При контакте с железными и стальными поверхностями вода образует оксид железа. Частицы ржавчины, которые попадают в топливо, как и другие твердые частицы, будут вызывать абразивный износ деталей. Преждевременный износ может вызвать сбои в работе.

Устройство

Дизели используют свойство солярки воспламеняться при высоком давлении. Именно поэтому особенностью устройства топливной системы у дизелей является наличие необходимости поддерживания высокого давления в системе.

При этом такие силовые агрегаты не имеют классических свечей накаливания, которые в бензиновых моторах воспламеняют смесь в цилиндрах.

Коррозия является одной из наиболее распространенных причин проблем с инжектором. Вода сочетается с кислотами в топливе, чтобы разъедать как черные, так и цветные металлы. Это ухудшается, когда истирание обнажает свежие металлические поверхности, которые легко разъедают. Инжектор, показанный слева, был установлен новым, но не смог через 300 часов из-за быстрой коррозии.

Травление: Травление вызвано деструкцией, вызванной водой, которая вызывает сероводород и серную кислоту, которые «съедают» металлические поверхности.

Питтинг и кавитация: Точечная коррозия вызвана потерей воды на горячих металлических поверхностях. Кавитация вызвана быстрым сжатием пузырьков пара при воздействии внезапного высокого давления, что заставляет их конденсироваться обратно в жидкость. Эти капли воды воздействуют на небольшую площадь с большой силой, вызывая поверхностную усталость и эрозию.

Устройство топливной системы состоит из следующих элементов:

• Фильтр грубой и тонкой очистки;
• Топливный бак;
• Подкачивающий насос;
• Топливный насос высокого давления;
• Форсунки.

В зависимости от конкретной модификации силового агрегата топливная система дизельного двигателя может иметь различные дополнительные элементы. Автовладельцу лишь необходимо знать какая компрессия должна быть в моторе его автомобиля.

Выход в свет

Распыление: происходит из-за водородного охрупчивания и давления. Вода наносится на микроскопические трещины на металлических поверхностях. Затем при экстремальном давлении он разлагает и выделяет водород в «мини-взрыве», который увеличивает трещины и создает изнашивающиеся частицы.

Лед: свободная вода в топливе может замерзнуть, создавая кристаллы льда, которые ведут себя точно так же, как и любые другие твердые частицы. Они могут создавать износ топливных систем и забивать топливные фильтры. Задача топливного фильтра состоит в том, чтобы защитить двигатель, остановив твердые частицы. Двигатели и фильтры не различают грязь и лед. Повреждения, вызванные льдом, трудно правильно диагностировать, так как лед будет таять и исчезать задолго до того, как лабораторный осмотр может происходят.

Устройство системы питания у дизельного двигателя отличается простотой.

Принцип работы следующий:

1. Из бака топливо при помощи топливного насоса высокого давления и дополнительного подкачивающего насоса помпового или шестеренчатого типа заканчивается в систему, проходя первоначально через фильтр грубой очистки, в котором из топливной смеси удаляются крупные включения.
2. Непосредственно перед топливным насосом располагается уже фильтр тонкой очистки.
3. Топливо через форсунки попадает в цилиндры, где под действием высокого давления,

Поступление топлива под низким давлением в дизельном двигателе

Система низкого давления

Система низкого давления в системе впрыска топлива с распределительным насосом включает в себя топливный бак, топливопроводы, топливный фильтр, топливоподающий лопастной насос, клапан управления давлением (2) и ограничитель перетока топлива (7).

Рис. 1. Приводной вал; 3. Эксцентрическое кольцо; 4. Упорное кольцо; 5. Привод регулятора; 6. Подводки (выступы) приводного вала; 8. Корпус насоса.

Топливоподающий лопастной насос втягивает топливо из топливного бака. Он подает приблизительно постоянный поток топлива за один оборот во внутреннюю часть ТНВД. Клапан управления давлением устанавливается для обеспечения того, чтобы определенное давление внутри ТНВД поддерживалось в зависимости от оборотов топливоподаюшего насоса. Пользуясь этим клапаном, возможно установить определенное давление для данного числа оборотов. Внутреннее давление насоса затем увеличивается пропорционально оборотам (другими словами, чем выше обороты насоса, тем выше внутреннее давление в насосе). Некоторое количество топлива протекает через клапан регулировки давления и возвращается к подающей стороне. Некоторое количество топлива также протекает через ограничитель перетока и обратно в топливный бак, чтобы обеспечить охлаждение и самовентиляцию ТНВД. Клапан перетока может быть установлен вместо ограничителя перетока.

Конфигурация топливопровода

Для эффективной работы ТНВД необходимо, чтобы его система высокого давления постоянно обеспечивалась топливом под давлением и без пузырьков воздуха Обычно в случае легковых автомобилей и легких грузовиков разница по высоте между топливным баком и деталями системы впрыска незначительна. Более того, топливопроводы не слишком длинные и имеют соответствующие внутренние диаметры. В результате этого топливоподающий насос в ТНВД достаточен для вытягивания топлива из топливного бака и для создания нужного давления внутри ТНВД.

В таких случаях когда разница по высоте между топ-ливным баком и ТНВД велика, а ТНВД велик и (или) топливо-провод между баком и насоссм слишком длинный, необходимо установить дополнительный насос Это помогает преодолеть сопротивления в топливопроводе и в топливном фильтре. В стационарных двигателях в основном используется подача топлива самотеком.

Топливный бак

Топливный бак должен быть из коррозионостойкого материала и не иметь утечек при двойном рабочем давлении и. в некоторых случаях, при 0,3 бар. Должно быть обеспечено своевременное открывание или предохранительные клапаны или принять побочные меры для обеспечение стравливания избыточного давления. Топливо не должно вытекать через крышку бака или через устройства компенсации давления. Это справедливо, когда автомобиль подвергается небольшим механическим воздействиям, например, при поворотах или при остановке или движение по пересеченной местности. Топливный бак и двигатель должны быть отделены друг от друга настолько, чтобы в случае аварии не было опасности возгорания. Более того, для автомобилей с открытым кузовом, тракторов и автобусов нужно учитывать специальные правила, касающиеся высоты топливного бака и его защиты.

Топливопроводы

Как альтернатива стальным трубкам, для топливопроводов низкого давления могут быть использованы огнеустойчивые армированные сталью гибкие трубки. Они должны проходить так, чтобы обеспечить невозможность их механического повреждения, а топливо, которое сконденсировалось или испарилось не должно иметь возможности скопления или воспламенения.

Топливный фильтр

Система (контур) высокого давления ТНВД и форсунки изготавливаются с точностью в несколько тысячных долей миллиметра. Это означает, что загрязнения в топливе могут привести к поломкам. Неэффективная фильтрация может стать причиной повреждения деталей ТНВД, нагнетательных клапанов и форсунок. Это значит, что топливный фильтр, специально отвечающий требованиям системы впрыска, чрезвычайно важен для надежной и длительной работы системы впрыска топлива. Топливо может содержать воду в связанной форме (эмульсия) или в свободном виде (конденсация из-за изменения температуры). Если вода попадет в ТНВД, то могут образоваться коррозионные повреждения. В связи с этим распределительные насосы должны быть оснащены топливным фильтром с водосборником, из которого вода должна регулярно сливаться. Возрастающая популярность дизельных двигателей в легковых автомобилях привела к необходимости создания автоматических устройств контроля наличия воды и индикаций с помощью контрольной лампы необходимости слива воды.

Топливоподающий лопастной насос

Рис. Топливоподающий лопастной насос: 1 — вход; 2 — выход

Лопастной насос расположен вокруг приводного вала ТНВД. Его рабочий диск концентричен с валом и соединен с ним шпонкой и вращается внутри эксцентричного кольца, укрепленного в корпусе насоса.

Когда приводной вал вращается, центробежная сила прижимает четыре лопасти диска наружу к внутренней части эксцентричного кольца. Топливо между внутренними сторонами лопастей и диском служит для опоры наружного перемещения лопастей. Топливо проходит через канал поступления и выемку в форме почки в корпусе насоса и заполняет пространство, образуемое рабочим диском, лопастью и внутренней стороной эксцентричного кольца. Вращательное движение приводит к тому, что топливо между соседними лопастями нагнетается в верхнюю (выходную) выемку в форме почки и через канал во внутреннюю часть ТНВД. В то же самое время некоторое количество топлива протекает через второй канал к клапану управления давлением.

Клапан управления давлением

Рис. Клапан управления давлением

Клапан управления давлением соединяется через канал с верхней (выходной) выемкой почки и крепится в промежуточной области топливоподающего насоса. Это подпружиненный цилиндрический клапан, с помощью которого внутреннее давление в ТНВД может изменяться в зависимости от количества подаваемого топлива. Если давление топлива возрастет выше заданного значения, то сердечник клапана открывает возвратный канал так, что топливо может протекать обратно к впускной стороне топливоподающего насоса. Если давление топлива слишком низкое, то возвратный канал закрывается пружиной. Начальное усилие пружины может быть отрегулировано для установки давления открывания клапана.

Ограничитель перетока

Рис. Ограничитель перетока

Ограничитель перетока вкручен в крышку регулятора ТНВД и соединяется с внутренней частью ТНВД. Он позволяет изменяемому количеству топлива возвращаться в топливный бак через узкий канал. Для этого топлива ограничитель соответствует сопротивлению потока, которое помогает в поддержании давления внутри ТНВД. Так как точно определенное давление внутри ТНВД необходимо в зависимости от оборотов насоса, то ограничитель перетока и клапан управления потоком точно подбираются друг к другу.

Как работает дизельный двигатель?

Автомобили с дизельными двигателями составляют почти половину от всего количества транспортных средств, ежегодно продаваемых как на официальных дилерских площадках, так и на вторичном рынке.

Силовые установки этого типа характеризуются экономичностью, значительной мощностью и динамикой. Такие агрегаты демонстрируют высокий крутящий момент и принципиально недоступный для бензиновых двигателей КПД (35%-35% у дизельных систем против 25%-35% у их аналогов). Эти преимущества, а также понизившийся уровень шума при эксплуатации и полное соответствие перманентно усложняющимся стандартам безопасности окружающей среды и обеспечили популярность дизелей как в легковом, так и в коммерческих классах транспортных средств.

Как происходит запуск дизельного двигателя?

Принцип работы дизельного двигателя следующий: в цилиндры поступает чистый воздух, который вследствие высокого сжатия нагревается до 700°С и более. После этого, при приближении поршня к верхней точке его траектории в камеру сгорания под давлением подается горючее, которое воспламеняется при контакте с горячим воздухом. Момент воспламенения сопровождается резким повышением давления в цилиндре. Такой принцип работы позволяет мотору работать на максимально обедненных смесях, что обеспечивает экономичность его эксплуатации.

Для холодного старта дизеля используется система предпускового нагрева, основным элементом которой являются свечи накаливания –нагревательные элементы, размещенные в камерах сгорания. Они позволяют за несколько секунд поднять температуру воздуха до требуемого значения. При включении системы в салоне загорается лампочка. Ее обесточивание свидетельствует о готовности двигателя к запуску. Подача электроэнергии к свечам прерывается автоматически, спустя 15сек – 25 сек после старта. Это условие позволяет обеспечить стабильную работу непрогретого агрегата. Современные системы данного типа делают возможным легкий запуск дизеля при температурах до -30°С при условии исправности мотора и использования масла и топлива соответствующей сезонности и качества.

Конструктивные особенности

Схема дизельного двигателя в целом повторяет механизм бензинового силового агрегата с той разницей, что аналогичные детали значительно усиливаются с учетом более высоких нагрузок. Поскольку воспламенение происходит в результате сжатия, из схемы исключаются компоненты системы зажигания, а свечи заменяются на элементы накаливания, не дающие искры и предназначенные для предварительного прогревания воздуха в камерах сгорания.

Характерной особенностью конструкции дизельного двигателя, связанной с самим принципом его работы, является геометрия днища поршней. Их форма определяется спецификой камеры сгорания. В верхней точке хода поршня, его днище оказывается выше самой крайней точки блока цилиндров. В некоторых случаях, в донышке поршня и располагается сама камера сгорания. От ее типа и реализованного способа подачи смеси и зависят технические и экологические характеристики конкретной модели дизельного двигателя.

Типы камер сгорания

В зависимости от их геометрии различают следующие виды камер сгорания.

Разделенные. В этом случае первичный впрыск горючего производится в отдельную полость, расположенную в головке блока. Такая технология позволяет снизить нагрузку на поршневую группу, а также значительно уменьшить шум от работы двигателя.

При этом процесс образования смеси может быть:

• Форкамерным (предкамерным). Топливо под давлением поступает в предварительную камеру, соединенную с цилиндром несколькими каналами, где ударяется о ее стенки и таким образом смешивается с воздухом. После воспламенения смесь передается в основную камеру, где и дожигается полностью. Необходимый для максимально быстрого истечения газов через каналы перепад давления между цилиндром и форкамерой возникает в момент хода поршня на сжатие и на расширение.
• Вихрекамерным. В этом случае первичное возгорание смеси также производится в отдельной камере, имеющей сферическую геометрию. В момент хода поршня на сжатие порция воздуха поступает в нее по соединительному каналу и интенсивно закручивается, образуя вихревой поток, за счет чего хорошо смешивается с горючим, поданным в определенный момент.

Характерными недостатками агрегатов с разнесенными камерами сгорания является усложненный запуск и повышенный расход топлива в связи с потерями при переходе порции воздуха в дополнительную камеру и обратного хода воспламененной смеси – в цилиндр.

Неразделенные. В этом случае горючее под давлением подается в цилиндр, а камерой служит полость, выбранная в донце поршня. В силу того, что такие агрегаты характеризуются повышенным уровнем шума и вибраций в процессе работы, особенно – при разгоне, до недавнего времени неразделенные агрегаты использовались на низкооборотистых моторах большого объема, предназначенных для коммерческого транспорта. Появление электронных систем впрыска позволило оптимизировать сгорание смеси в таких двигателях и значительно снизить уровень шума от их работы, что в свою очередь сделало неразделенные конструкции наиболее перспективным технологическим решением при проектировании новых типов силовых агрегатов.

Устройство топливной системы дизельного двигателя

Принцип работы дизельного двигателя обуславливает важность подачи в камеру сгорания строго дозированной порции смеси в определенный момент времени и под четко рассчитанным давлением. Система впрыска включает в себя следующие основные компоненты.

Топливный насос высокого давления (ТНВД). Этот элемент предназначается для забора порции горючего от расположенного в баке насоса подкачки и поочередной раздачи дозированных порций в индивидуальные трубопроводы форсунок на каждый цилиндр. Конструкция таких распылителей подразумевает их открытие при повышении давления в топливных магистралях. В зависимости от технологических решений различают следующие типы ТНВД:

• Многоплунжерные рядные. Этот вариант насоса состоит из отдельных секций, по одной на цилиндр. Как правило, блоки  имеют рядную сборку. Каждая секция снабжена гильзой и плунжером, который приводится в движение мотором через кулачковый вал. Давление в подаваемом горючем зависит от частоты оборотов коленвала. Специфика конструкции такого насоса обуславливает высокий уровень шума при его работе и сложность в соблюдении актуальных экологических норм.
• Распределительные. Этот тип насосов поддерживает необходимое давление в соответствии с режимом эксплуатации двигателя и отличаются равномерностью подачи горючего по цилиндрам, а также – стабильной работой на высоких оборотах. Конструкции данного типа имеют один плунжер, который перемещается в двух плоскостях. Поступательные движения обеспечивают нагнетание порции горючего, а вращательные – распределяют его по форсункам. Специфика распределительных насосов обуславливает требовательность к качеству топлива, так как оно служит для смазки трущихся деталей, а прецизионные элементы имеют минимально допустимые зазоры.

Топливные фильтры. Эта деталь дизельного двигателя предназначается для отделения и последующего отвода воды из заправленного в бак горючего, для чего используется сливная пробка в нижней части. Удаление воздуха из системы производится с помощью ручного насоса, расположенного на верхней стороне корпуса. Несмотря на относительную простоту конструкции, фильтр требует внимательного подбора по таким параметрам, как пропускная способность, тонкость очистки и т.д. Для предотвращения забивания кристаллизующимися парафинами и облегчения запуска в холодное время года система может снабжаться электроподогревом.

Турбонаддув. Этот элемент предназначен для нагнетания в цилиндры дополнительного объема воздуха, что позволяет увеличить подачу горючего и повысить мощность силового агрегата. Принцип работы дизельного двигателя подразумевает высокое давление выхлопных газов, которое дает возможность обеспечить эффективность наддува с низких оборотов и при этом избежать эффекта «турбо-ямы». Отсутствие дроссельной заслонки в силовых агрегатах этого типа упрощает схему управления компрессором и позволяет поддерживать эффективность наполнения цилиндров во всем диапазоне оборотов. В первую очередь, наддув позволяет оптимизировать процессы сгорания смеси в ситуациях, в которых атмосферный силовой агрегат будет испытывать нехватку воздуха. Наличие турбины обеспечивает повышение мощности при меньшем рабочем объеме и меньшей массе мотора. При этом снижается жесткость его работы. Установка дополнительного интеркулера – промежуточного охладителя воздуха, позволяет дополнительно повысить мощность силового агрегата на 15% и более за счет увеличения массового наполнения цилиндров.

Специфика работы турбины обуславливает срок ее эксплуатации, значительно меньший, чем ресурс самого дизельного двигателя. При этом, в связи с форсированием, снижается и срок работы силового агрегата, в камерах сгорания которого постоянно поддерживается повышенная температура, требующая охлаждения подаваемым через дополнительные форсунки маслом. Эта конструктивная особенность влечет за собой критическую требовательность мотора к качеству смазочных материалов.

Форсунки. Этот элемент топливной системы предназначен для подачи строго отмеренной дозы горючего в точно рассчитанный момент времени. Появление электронного управления подачей топлива позволило организовать его двухступенчатую подачу неравномерными порциями. При воспламенении первичной дозы повышается температура в камере, после чего в нее поступает основной «заряд» на этот цикл. Такая схема дала возможность исключить скачкообразное нарастание давления и снизить шум работы двигателя. В зависимости от конструкции различают два типа распылителей.

• Насос-форсунки. Эта конструкция объединяет в себе распылитель и плунжерный насос.  Данный элемент устанавливается по одному на каждый цилиндр и приводится в действие толкателем, соединенным с кулачком распредвала. Линии подачи и слива горючего представляют собой технологические каналы в головке блока, благодаря чему может быть достигнуто давление до 2200 бар. Электронный блок управления отвечает за дозирование порции топлива и контроль угла опережения впрыска путем отправки сигналов на запорные пьезоэлектрические или электромагнитные клапаны. Конструкция насос-форсунок позволяет эксплуатировать их в многоимпульсном режиме, совершая от 2 до 4 впрысков за один цикл. Такая технология позволяет смягчить работу силового агрегата и снизить токсичность выхлопа.
• Common Rail. Эта конструкция представляет собой общую топливную магистраль (рампу), в которой накапливается горючее, после чего по команде электронного управляющего блока впрыскивается через пьезоэлектрические или электромагнитные форсунки. Конструкция данного типа подразумевает применение ТНВД только для нагнетания давления в аккумуляторе, не используя его для регулировки момента впрыска и дозирования порций топлива. Такое конструктивное решение позволило сократить расход горючего до 20% при одновременном возрастании крутящего момента на малых оборотах до 25%. Электронный блок управления распылителями контролирует длительность фазы впрыска и оптимальный момент ее проведения по показателям ряда датчиков – температурного режима мотора, текущей нагрузки на него, давления в рампе, положение педали акселератора и т.д.

Сочетания турбины и системы Common Rail на сегодняшний день считается наиболее эффективным способом увеличения мощности дизельного двигателя при одновременном уменьшении токсичности его выхлопа.